Научная статья на тему 'Молекулярные предпосылки антибактериального действия ингибиторов ферментов биосинтеза изопреноидов'

Молекулярные предпосылки антибактериального действия ингибиторов ферментов биосинтеза изопреноидов Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

CC BY
376
61
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Biological Communications
WOS
Scopus
ВАК
RSCI
Область наук
Ключевые слова
АНТИМИКРОБНЫЕ ИНГИБИТОРЫ ФЕРМЕНТОВ БИОСИНТЕЗА ИЗОПРЕНОИДОВ / ANTIBACTERIAL INHIBITORS OF ISOPRENOID BIOSYNTHESIS ENZYMES

Аннотация научной статьи по биологическим наукам, автор научной работы — Войнова Наталья Евгеньевна

Анализ кинетических характеристик и трехмерных структур ферментов мевалонатного и метилэритролфосфатного путей биосинтеза изопреноидов позволяет вычленить ферменты-мишени для синтеза потенциальных ингибиторов-антибиотиков нового поколения. Для метилэритролфосфатного пути, отсутствующего у млекопитающих, основным критерием скрининга ферментов-мишеней является функциональный тест: выбор скорость-лимитирующих ферментов и анализ кинетических параметров, таких как константа и тип ингибирования. Молекулярной основой дискриминации действия ингибиторов на одноименные ферменты мевалонатного пути млекопитающих и бактерий является гетерология их трехмерной структуры. Для ферментов, не являющихся ортолагами, основным критерием скрининга также остается функциональный тест. В случае ферментов-ортологов анализ геометрии активного центра приобретает первостепенное значение. Библиогр. 50 назв. Ил. 6.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по биологическим наукам , автор научной работы — Войнова Наталья Евгеньевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Molecular basis for antibiotic effect of inhibitors of enzymes catalyzing isoprenoid biosynthesis

The analysis of modern available data of 3D structure and kinetic properties for enzymes of isoprenoid biosynthesis makes many of them promising targets for docking design of new antibiotics.

Текст научной работы на тему «Молекулярные предпосылки антибактериального действия ингибиторов ферментов биосинтеза изопреноидов»

УДК 577.127: 577.151.3

Н. Е. Войнова

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ АНТИБАКТЕРИАЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ ИНГИБИТОРОВ ФЕРМЕНТОВ БИОСИНТЕЗА ИЗОПРЕНОИДОВ

Санкт-Петербургский государственный университет, кафедра биохимии биолого-почвенного факультета

Критерии антибиотического действия ингибиторов ферментов. Поиск селективных ингибиторов ферментов микроорганизмов, простейших и паразитарных организмов — одно из основных направлений создания инновационных антимикробных и антибиотических препаратов. В настоящее время скрининг новых ферментов-мишеней и разработка структуры потенциально высокоспецифичных ингибиторов ферментов-мишеней проводится не только методом экспериментальных проверок, но и т 8Шео с применением разнообразных компьютерных программ, число которых постоянно растет [29, 49]. Такие подходы молекулярной фармакологии требуют как знания трехмерных структур белков и химических лигандов, обеспечивающих стерическую и электростатическую комплементарность [24,

29, 49], так и кинетического анализа для выявления оптимальных величин констант связывания и ингибирования. Скрининг ферментов-мишеней идет по следующим основным критериям [1, 2, 24]: фермент должен отличаться от уже имеющихся белков-мишеней, быть необходимым для выживания микробной клетки, отсутствовать или радикально отличаться от одноименного фермента человека. Ингибирование ферментов, катализирующих скорость-лимитирующие или регуляторные стадии метаболического пути, представляется наиболее перспективным при прочих равных условиях.

При поиске ингибиторов в первом приближении вещества с 1С50 в микромолярном диапазоне отбирают для синтеза серий модифицированные соединения на их основе [24]. Модифицированные соединения с 1С50< 1 цМ становятся родоначальниками последующих серий модификаций. Окончательный ингибитор должен помимо высокой чувствительности (1С5о < 100 нМ) обладать стабильностью и минимальным воздействием на метаболические системы человека. В случае конкурентного типа ингибирования вместо значения 1С50 правильнее использовать величину К для оценки специфичности ингибитора.

Считается, что подавление активности двух жизненно важных для бактерии метаболических путей гарантирует антибиотическое действие препарата. Системы биосинтеза изопреноидов обеспечивают образование многих незаменимых соединений в клетке, поэтому ферменты этого метаболического пути рассматриваются в литературе как весьма перспективные мишени для действия специфических ингибиторов, способных использоваться в качестве антибиотических препаратов [1, 2, 24, 32, 37,47].

Наличие трехмерных структур для некоторых ферментов бактериального происхождения и ферментов млекопитающих (в том числе и человека) и их кинетическая

© Н. Е. Войнова, 2009

характеристика закладывают молекулярную базу для докинг дизайна таких ингибиторов с последующим ингибиторным анализом. Большинство исследований в настоящее время находятся на стадии скрининга ферментов-мишеней этого метаболического пути как потенциальных звеньев действия ингибиторов.

Системы биосинтеза изопреноидов. Изопреноиды (терпеноиды), производные которых насчитывают более 30 000 представителей [7], встречаются повсеместно и выполняют самые разнообразные функции: участвуют в процессах трансформации энергии, в регуляции стабильности мембран, являются предшественниками жирорастворимых витаминов, каротиноидов, стероидных гормонов, некоторых фитогормонов и гормонов насекомых, липидного переносчика сахаров при гликозилировании белков, формируют фитольный остаток хлорофилла и др.

Наиболее важные представители изопреноидов изображены на рис. 1. Несмотря на структурное и функциональное многообразие изопреноидов, их предшественниками при биосинтезе являются две изопреновые пятиуглеродные молекулы с сопряженными двойными связями, производные 2 метил-1,3 бутадиена, изопентилпирофосфат (1РР) и изо-аллилпирофосфат. Продукты их конденсации — 10-, 15-, 20-углеродные фрагменты (гера-нил, фарнезил и геранилгеранил соответственно), также имеющие систему сопряженных двойных связей, могут подвергаться дальнейшей конденсации и циклизации (см. рис. 1). Центральную роль в биосинтезе изопреноидов играет пятиуглеродная молекула изопентил пирофосфата (1РР), являющаяся универсальным предшественником всех изопреноидов. Пути биосинтеза изопентилпитрофосфата у разных таксономических групп оказались неодинаковы. К настоящему времени известны два пути биосинтеза изопентилпирофосфата [12, 38]. Первый путь биосинтеза, открытый еще в 1958 г. группами Чайкина и Линена, долгое время считался универсальным для всех организмов [43]. Он получил название

тРНК

0Р0(0Н)0Р(0Н)20

0Р0(0Н)0Р(0Н)20

диметилаллилпирофосфат

С 5 изопентилпирофосфат

С20

Пренилированные белки

С20 геранилгеранилпирофосфат (ООРР)

Филохиноны

Пластохиноны

Токоферолы

Каротиноиды

Рис. 1. Предшественники различных представителей изопреноидов

мевалонатного пути, так как в качестве промежуточного продукта использует мевалоновую кислоту. На рис. 2 представлена схема реакций этого пути. Мевалонатный путь биосинтеза реализуется у животных, архей (выявлена модификация по двум реакциям), дрожжей, в цитоплазме растений, а также в некоторых Г+ кокках [б, 12, 20, 43,47].

Второй путь биосинтеза изопентилпирофосфата был обнаружен намного позднее [15, 31, 32, 38], и назван по одному из промежуточных продуктов метилэритролфосфат-ным путем (альтернативные названия: путь Ромера, альтернативный путь синтеза изопентилпирофосфата, немевалонатный путь, глицеральдегидтрифосфат-пируватный путь, DXP-путь). Предшественниками изопентилпирофосфата являются молекулы пирувата и глицеральдегид-3-фосфата (рис. 3). Этот метаболический путь характерен для большей части эубактерий [38], некоторых внутриклеточных паразитов [1], зеленых водорослей, пластид растений [40]. Хотя для большинства бактерий характерен метилэритролфос-фатный путь биосинтеза изопреноидов, недавно было показано, что геномы некоторых Г+ кокков кодируют ферменты мевалонатного пути [47]. Ферменты мевалонатного пути были выделены и охарактеризованы из ряда микроорганизмов, в том числе и патогенных для человека [14, 20, 21, 39, 44, 46, 48], а также из патогенных простейших [41]. Видимо, расхождение синтеза изопреноидов по двум независимым метаболическим путям у прокариот произошло очень давно. Следует отметить, что помимо растений, где реализуется оба пути (мевалонатный в цитоплазме и метилэритролфосфатный в пластидах) существует ряд организмов, где обнаружен полный набор генов, кодирующих ферменты обоих путей, и синтез изопентилпирофосфата идет альтернативно по одному из метаболических путей. Среди них представители простейших, имеющих апикопласт (например, малярийный плазмодий), Listeria monocytogenes [4] и некоторьге представители порядка Actinomycetales (Streptomyces и Actinoplanes), относящихся к эубактериям [20, 30]. Анализ наличия генов ферментов метилэритролфосфатного или мевалонатного пути в геноме болезнетворных бактерий и простейших представлен в ряде обзоров и статей [1, 32, 47].

Использование двух систем биосинтеза изопреноидов и отсутствие одной из них у человека делает бактериальные ферменты, не имеющих аналогов у млекопитающих многообещающими мишенями для антибактариального действия высокочувствительных ингибиторов. В принципе каждый фермент ДХР-пути можно рассматривать как мишень для поиска ингибиторов, проявляющих антибиотические свойства.

Представленная на рис. 3 схема ДХФ пути биосинтеза изопентилпирофосфата состоит из 8 реакций, катализирумых 9 ферментами, для семи из которых установлена трехмерная структура. На первой стадии происходит конденсация молекул пирувата и глицеральдегид-3-фосфата с образованием 1 деокси-Д-ксилулозо-5-фосфата (ДХФ). Эту ключевую реакцию катализирует фермент ДХФ-синтетаза, структура которой долгое время была неизвестна и получена лишь недавно [8, 50]. Кофактором реакции является тиаминпирофосфат, фермент проявляет гомологию трехмерной структуры с транскето-лазой. Хотя использование специфических ингибиторов субстрата и кофактора представляется нецелесообразным (ввиду высокой вероятности побочного ингибирования широкого спектра ключевых метаболических ферментов человека, использующих один из этих субстратов или кофактор), формирование активного центра тремя доменами внутри мономера является необычным для ферментов этой группы и может быть использовано для поиска специфических ингибиторов [33, 50]. Следующую реакцию катализирует фермент 1 деокси-Д-ксилулозо-5-фосфата редуктоизомераза (ДХР), в результате образуется

2-метилэритритолфосфат (МЭФ). Применяемый антибиотик фосмидомицин и его производные ингибируют специфически ДХР. Структурный анализ комплекса фермента с ионами

л

Н3С ЗСоЛ

Тиолаза

О О

-кА

Н3С ЗСоЛ

НМОСоЛ

синтетаза

Н3С ОН О

но2счХЛ

8-СоЛ

НМОСоЛ

редуктаза

Н3С ОН

НО2С

ОН

Мевалонат

киназа

Н3С ОН

изопентилпирофосфат

ОРО(ОН)ОР(ОН)2О диметилаллилпирофосфат

Рис. 2. Схема реакций мевалонатного пути биосинтеза изопреноидов Втавкой обоначены реакции, происходящие у некоторых архей. Подробное описание см. в тексте.

л

0(0Н)2Р0

СН0 Н02С ^ СН3

глицеральдегид-3-фосфат пируват

ДХС

0 0Н

НС3 АД ^ 0Р(0Н)20 ДХР

1-дезоксиксилуоза-5-фосфат Н0'"^

' - г 1 0Р(0Н)20

ЪфЭ 0Н 0Н

2-С-метил-Э-эритрол-4-фосфат

0Р0(0Н)0Р0(0Н)0 0 N

0Н 0Н

ж

г

•■*•2

Н0 0Н 4-дифосфоцитидил-2-С-Э-эритрол

0(0Н)2Р0

I

ЬзрБ

0Р0(0Н)0Р0(0Н)0 0 N к

0Н 0Н

Н0 0Н 0 4-дифосфоцитидил-2-С-Э-эритритрол-2-фосфат

ЬрБ

0-Р-У'0^Р^>0 ■"^''*'0 0

ТГ‘

0Н 0Н

2-метилэритрол-2,4-циклопирофосфат

ЬзрО

0Р0(0Н)0Р(0Н)20

1-гидрокси-2-метил-2(Е)-бутинил-4-пирофосфат

<-------I

^рН

I 4

изопентилпирофосфат

0Р0(0Н)0Р(0Н)20

диметилаллилпирофосфат Рис. 3. Схема реакций метилэритролфосфатного пути биоснтеза изопреноидов

Н0

0Р0(0Н)0Р(0Н)20

марганца, фосмидомицина и кофактора установили механизм его действия — нарушение правильной координации металла, необходимого для правильной ориентации субстрата и интермедиата. Считается, что структура ингибитора «имитирует» участок субстрата ДХР [24, 25]. Антибиотики фосмидомицинового ряда эффективно используются для лечения малярии [1], а два новых ингибитора ДХР показали высокую эффективность против E. coli in vitro [2].

Следующую реакцию катализирует фермент 4-дифосфоцитидил-2-С-метилэрит-ритолцитидилтрансфераза (IspD), в результате образуется дифосфоцитидилметилэритритол (СДФ МЭ) и пирофосфат. Образовавшийся СДФ МЭ в свою очередь фосфорилируется

4-дифосфоцитидил-2-метилэритритолкиназой (IspE) с образованием СДФМЭФ, который превращается в циклическое соединение 2С-метил^-эритритол-2,4-циклодифосфат и ЦМФ под действием 2С-метил^-эритритол-2-4-циклоодифосфат синтазы (IspF). Ферменты, катализирующие две последние стадии IspG и IspH, изучены недостаточно и до сих пор отсутствуют данные об их трехмерной структуре, специфичности и механизме реакций. Ферменты типа IspD, IspE и IspF являются перспективными мишенями для синтеза ингибиторов антибиотиков, так как их продукты и субстраты уникальны для бактерий, а их функции не могут быть компенсированы другими ферментами [24, 42].

Некоторые авторы поэтому называют их метаболическими заглушками [24]. В рамках программы скрининга антибиотических препаратов в группе Хантера [24] были получены 4 новых лиганда на основе цитозиновых производных, при моделировании и их сокристаллизацией с ферментом (IspF) был сделан вывод об их перспективности в качестве антибиотических препаратов.

Мевалонатный путь биосинтеза реализуется в организме человека, поэтому проблема дискриминации действия ингибиторов на ферменты человека и бактерий (или других патогенных организмов) приобретает первостепенное значение.

Возможность и перспективость их использования обусловлена наличием различий в трехмерной структуре одноименных ферментов, что может приводить к кардинальному отличию в чувствительности к одному и тому же ингибитору. Для дискриминации действия ингибитора чувствительность должна различаться на несколько порядков, поэтому структурные особенности и анализ рельефа поверхности молекулы фермента приобретают первостепенное значение. В последние годы структура многих ферментов мевалонатного пути человека была расшифрована, растет и число трехмерных структур ферментов бактериальных и паразитарных организмов. На рис. 2 представлена схема реакций мевалонатного пути биосинтеза изопентилпирофосфата. Фермент ацетоацетил-СоАредуктаза инициирует мевалонатный путь, конденсируя 2 молекулы ацетилСоА (реакция 1) до ацетоацетилаСоА. Фермент гидроксиметилглутарил СоА синтетаза (HMG синтетаза, реакция 2) катализирует последующее присоединение к ацетоацетил СоА еще одной молекулы ацетилСоА с образованием молекулы гидроксиметилглутарилСоА. Последующее восстановление HMG CoA до мевалоновой кислоты (реакция 3 на схеме) осуществляет NADPH-зависимая HMGCoA-редуктаза. Таким образом, конденсация 3 молекул ацетил-СоА и последующая оксидоредуктазная реакция приводят к образованию мевалоновой кислоты, которая является ключевым метаболитам этого пути. Дальнейшие превращения затрагивают три последовательные реакции фосфорилирования и катализируются соответственно ферментами мевалонаткиназой, фосфомевалонаткиназой и ме-валонатпирофосфатдекарбоксилазой.

Скорость-лимитирующей стадией всего мевалонатного пути является HMGCoA-редуктазная реакция [18], этот фермент является одним из наиболее регулируемых

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ферментов, что делает его заманчивой мишенью для поиска лекарственных ингибиторов. Первоначальный поиск таких ингибиторов был проведен не по антибиотическим свойствам, а по эффективности ингибирования активности фермента человека для блокировки всего метаболического пути и снижения синтеза холестерина. Таким образом НМОСоА-редуктаза оказалась мишенью для действия лекарственных препаратов семейства статинов [9], применяемых при атеросклерозе. Молекулярной основой высокоспецифичного конкурентного ингибиторования НМОСоА-редуктазы человека статинами является их связывание в активном центре, препятствующее связыванию субстрата [26, 27]. При изучении действия статинов на бактериальные НМОСоА-редуктазы была обнаружена их неэффективность. Этот факт объяснился вскоре особенностями белковой структуры ряда бактериальных ферментов. На рис. 4 представлено выравнивание по аминокислотным последовательностям в области консервативных мотивов, формирующих активный центр фермента. Хорошо видно наличие двух типов структур, представленных ферментами прокариот и эукариот. В результате было постулировано существование двух классов НМО СоА-редуктаз [5, 21], отличающихся по чувствительности к ингибиторам. Поиск ингибиторов, специфичных для бактериальных НМОСоА-редуктаз представляется весьма вероятным.

Рис. 4. Выравнивание аминокислотной последовательности представителей двух классов

HMGCoA редуктаз

Первого класса — (S. sol Sulfolobus solfataricus Р13702; M. aurMesocricetus auratus (Golden hamster) P09610;

S. cer, Saccharomyces cerevisiae P12684; H. sap, Homo sapiens P04035; второго класса — A. ful, Archaeoglobus fulgidus O28538; S. aur, Staphylococcus aureus Q9FD86; E. fae, Enterococcus faecalis Q9FD70; P. mev Pseudomonas mevalonii P13702. Приведены белковые коды базы данных UniProtKB.

Meвалoнаткиназа является вторым ключевым ферментом мевалонатного пути. Не являясь скорость-лимитирующим ферментом, мевалонаткиназа (M^ является объектом регуляции по типу обратной связи. Продукты метаболического пути геранилпирофосфат, фарнезилпирофосфат и геранилгеранилпирофосфат являются конкурентными по отношению к АТФ ингибиторами MК [13, 23].

Показано, что все изученные до настоящего времени мевалонаткиназы являются объектом такой регуляции [13, 23, 4б], при этом для MК различного происхождения чувствительность к ингибированию отличается на несколько порядков [4б]. Единственным ферментом, не подверженным такой регуляции, является MК из Streptococcus pneumoniae, однако и в этом случае наблюдается ингибирование по типу обратной связи, но уже не фарнезилпирофосфатом, а другим метаболитом этого пути — мевалонат-дифосфатом [3]. Выравнивание аминокислотной последовательности MК различного происхождения показало принадлежность всех MК к одному суперсемейству киназ GHMP [48]. Несмотря на то, что MК прокариот, архей и эукариот являются ортологами, в бактериальных MКзах наблюдается отсутствие протяженных последовательностей, фланкирующих мотивы связывания АТФ (у архей они короче) по сравнению с эукариотическими MК (рис. 5). Кристаллизация рекомбинантных апо форм мевалонаткиназы человека и мевалонаткиназы крысы в комплексе с фарнезилпирофосфатом [1б], а также их сравнение с доступными пространственными апоструктурами (4 для M^ [3, 17, 41, 48] позволило выявить различия в геометрии центра связывания ингибитора (переход борозда — карман, число и природа взаимодействий с аминокислотными остатками) [1б]. Этими фактами и объясняется различная чувствительность мевалонаткиназ разных организмов к ингибированию продуктами мевалонатного пути. Все эти данные служат предпосылкой для конструирования специфических ингибиторов уже для MКназ патогенных микроорганизмов. Дальнейшая расшифровка трехмерных структур более широкого спектра патогенных MК несомненно внесет весомый вклад в докинг-дизайн таких возможных ингибиторов.

Исследования последних лет показали, что фосфомевалонаткиназа также является весьма перспективным ферментом-мишенью для поиска специфических ингибиторов по отношению к бактериальным ферментам. Анализ структурной гомологии показал, что фосфомевалонаткиназы растений, грибов и эубактерий относятся к GHMP суперсемейству киназ [39], не являясь ортологами фосфомевалонаткиназ беспозвоночных и животных, которые по фолдингу относят к другому суперсемейству киназ — киназ нуклеозидмо-нофосфатов [11, 22]. На рис. б хорошо видно, что структура рекомбинантной фосфомевалонаткиназы человека радикально отличается от структуры фермента бактериального происхождения. Интересно отметить имеющиеся данные о возможности отсутствия этого фермента у некоторых видов архей [19], следствием чего является образование изопен-тилмонофосфата, который фосфорилируется специфическим ферментом изпентилмоно-фосфаткиназой с образованием универсальной молекулы ИПФ [31].

Meвалoнатдифoсфатдeкарбoксилаза является также ключевым ферментом мевалонатного пути, а также вторым скорость-лимитирующим ферментом метаболического пути. Meвалoнатдифoсфатдeкарбoксилаза необходима для выживания Г+ патогенных кокков [31,39] и некоторых патогенных организмов [10]. Moщным ингибитором этого фермента являются фторпроизводные субстрата и синтезированные на их основе многочисленные производные [34-3б]. Синтезирован также аналог переходного состояния дифосфогликолилпролин, который имеет разный характер ингибирования и чувствительность для фермента человека [45] и дрожжей [28]. Выделение,

характеристика и установление трехмерной структуры рекомбинантной человеческой мевалонатдифосфатдекарбоксилазы [45] позволит в будущем оценить возможность дискриминации действия ингибиторов на фермент человека и микроорганизмов. К сожалению, имеющиеся структуры этого фермента микробного происхождения и фермента простейших не охарактеризованы функционально [10]. Не проведен и анализ ингибиторной способности большого числа синтезированных фторпроизводных мева-лоната и бифункциональных ингибиторов [34-36] по отношению к мевалонатдифос-фатдекарбоксилазе микробного происхождения.

Превращение изопентилпирофосфата в изоаллилпирофосфат катализируется ферментом изопентилизомеразой, представленной у разных организмов двумя классами

і»

MKJwmtn MU S Є VL L V* АРОК V I L H« E H A V V H

MK_Mt MLSEVLLVSAPOKVI LHOEHAVVH

WK wij .....ИІ I ETPSK VI LF6EHAVV4

MK_«P - - - KVOVCOAHSKI I 4 CEHAVVY

<> 2 3

I !• ) >

S S (0 TC M *0 in ts

ЧК Гіилмп p H I <31 KRAWDVARLQSLDT3FLEQGDVTTPT3EOVEKLKEVAOLPOOCAVTER

NIKlrtl PNVGI KQV WD V ATLQLLDTGFLEQGD'FPAPTLEQLEKLKKVAGLPFOCVGNEG

MKiriJ NDLHKSLGLM......................... -LhEIKMNPUNFGDFK

МК^р .........................................................ED

MKjUFTIflfl

ГЛК Nt

MK 1 MK"4

no «о і»

LAVLIAPL YLYLS і С A « OR A L P & L 0 і V * «fclE LP> GA|G L L S L lU F L V L V L A I CRKQRT LPSL О I HV WS E LP P G АІС L rCLCkl K- NTLOYLkll • EPKTGFKI UI £ SKI PI SC«L T L S >AA VYASLEYLNI T - - - EACI RCEI 0$JaI pIeKRIgM

160

ossaaysvclaa'allt

«S5A^rSVCVA A'a (.LT 6SSASI Tl G T I KAVSQ UG&9AAI SI AAI R'AVPQ

S

MK гтитг

4ICW

ШМ~т\

*K_sp

160 170 180 190

VCEEI PMPL KDGDCVNRWTKE DL E L I N К WA F Q С ACE 6VT NPL KOPG6 I GJWPtEDLKSI NKWAYEG F V N fc E.............LKDOEI A К L О V MV

У V Q A D ■ - - - ......LPHDVLEI LVNflA

n

S 200

FRMI HGN P Ъй V E RV I HGNP S «V E КЕ I QOK А Є I T Е.ИІ AHNN PlSLOL

210

AV ST WOO N S V S T WG G ТЭТ1 TYKO А КТ С LSDq

Чк_щ

Ю

II

L

J-

22 0 230 240 %<?0

AlRYhQOKI 33LKRSPAL-----------Qi LLTnTkV P R HfT RalVaOVIRNrLL KPFB

AL RYOQQKUSSL kRL PAL - - - - - Q L LTNTK.V- PRSrKALVA«VRSRLI KF Pi

I LFl Kn riKF RKi KOKPCIFL KNCHPlI V Y А С К R ft ККІТ Af LVNfV^KI E.....

PI F, PI KNVQFTELEM0L3A' - - - Y L VI AD T G V - Y GHUkEAI О VljQU KG- - - ■ К

MK і Мкмі MK“enj MK_ep

270

300

MK hwxi

41Cur WCm\

MK Fp

EZ

ASL AS L P KL L Ь A

_JJL

12

120 330

OLCOVTRARG-lHSKLT OLCOVTAAHG-LHSKLT

Rl VDl CNR F <3- FOAKLT SLVlTALSHGALGAKM S|al®AJ

) >

ISO 460

LKPGLEQPEVEAIKQALTSCG LKPGLERAKVEAAKOALTCCG ум El- KEKCLL KKLNKC - . D UAfcVT- - ‘ NL t HAQE LAG RLIEKG

ЛХ-

MK_hvm*n

KKjji

r*K_ITj

370 3*0 390

FDCLPTSI GA PGVSi H»AT»LD&RV4Q£LDGL F DCWE T ft I QAPOVAMHftATSI EDPVftQALGL

VRI FNCR- *HN

AVOTW E5L

Рис. 5. Гетерологичность структуры мевалонаткиназ ортологов Выравнивание аминокислотных последовательностей и наложение структур проводили, используя PDB файлы мевалонаткиназ 1KVK (Rattus norvegicus) [171, 2OI2 (St. pneumoniae) [3l, 1KKH Methanococcus jannaschii

и A5IQE4 (St. aureus).

Рис. 6. Трехмерная структура фосфомевалонаткиназы человека (А) и фермента бактериального происхождения (Б) (St. pneumoniae) , не являющихся ортологами Структуры приведены в программе Swiss pdb, используя PDB файлы фосфомевалонаткиназ 1K47 (St. pneumoniae) [39] и 3CH4 (Homo sapiens) [11].

фермента, отличающихся по трехмерной структуре и гомологии аминокислотной последовательности, а также по нуклеотидной специфичности [37]. Бактериальные изопенти-лизомеразы представлены у разных представителей как ферментом I типа (гомологичным ферменту млекопитающих и дрожжей), так и ферментом II типа, обнаруженному у архей и ряда эубактерий (а частности Г+ кокков). Изопентенилпирофосфатизомераза II типа также может быть перспективной мишенью для разработки специфических ингибиторов, обладающих антимикробным действием.

Исторически ферменты мевалонатного пути эукариот изучены в большей степени, чем прокариот и архей. Это относится не только к структуре и свойствам ферментов, но и к ингибиторному анализу, сопровождающимся обычно синтезом новых модифицированных соединений. Этот пробел в настоящее время восполняется усилиями многих лабораторий по всему миру. Использование молекулярной систематики [б, 40] позволило построить филогенетическое древо для различных ферментов мевалонатного пути Г + кокков и архей, что поможет в будущем облегчить скрининг штаммов микроорганизмов, реагирующих на тот или иной ингибитор.

Литература:

1. Ершов Ю. В. Метилэритролфосфатный (немевалонатный) путь биосинтеза изопреноидов // Усп. биол. химии. 2005. T. 45. C. 307-354.

2. Amer F. A., El-Behedy E. M., Mohtady H. A. New targets for antibacterial agents // Biotechnol. and Mol. Biol. Rev. 2008. Vol. 3. P. 46-57.

3. Andreassi J., Bilder P. W., Vetting M. W., Roderick S. L., and Leyh T. S. Crystal structure of the Streptococcus pneumoniae mevalonate kinase in complex with diphosphomevalonate // Protein Science. 2007. Vol. 16. P. 983-989.

4. Begley M., Gahan C. G., KollasA. K., HintzM., Hill, C., Jomaa H., EberlM. The interplay between classical and alternative isoprenoid biosynthesis controls gammadelta T cell bioactivity of Listeria monocytogenes // FEBS Lett. 2004. Vol. 561. P. 99-104.

5. BocharD. A., Stauffacher C. V., Rodwell V. W. Sequence comparisons reveal two classes of 3-hydroxy-

3-methylglutaryl coenzyme A reductase// Mol. Genet. Metab.1999.Vol. 66. P. 122-127.

6. Boucher Y., Kamekura M., Doolittle W. F. Origins and evolution of isoprenoid lipid biosynthesis in archea // Mol. Microbiol. 2004. Vol. 52. P. 515-527.

7. Buckingham J.. Dictionary of Natural Products on CD-ROM. Version 6.1. London, 1998.

8. Buetow L., Brown A. C., Parish T., Hunter W. N. The structure of Mycobacteria 2C-methyl-D-erythritol-2,4-cyclodiphosphate synthase, an essential enzyme, provides a platform for drug discovery // BMC Struct. Biol. 2007. Vol. 7. P. 68.

9. Buhascu I., Izzedine H. Mevalonate pathway: a review of clinical and therapeutical implications // Clinical Biochem. 2007. Vol. 40. P. 575-584.

10. Byers E., Alphey T. K., Smith W. N., Hunter J. Crystal structures of Trypanosoma brucei and Staphylococcus aureus mevalonate diphosphate decarboxylase inform on the determinants of specificity and reactivity // J. Mol. Biol. 2007. Vol. 371. P. 540-553.

11. Chang Q., YanX.-X., Gu S.-Y., Liu J.-F., LiangD. C. Crystal structure of human phosphomevalonate kinase at 1.8 A resolution // Proteins. 2008. Vol. 73. P. 254-258.

12. Dewick P. M. The mevalonate and deoxyxylulose phosphate pathways: terpinoids and steroids // Natural Products, a Biosynthetic Approach, 2nd edit. Chichester (UK), 2001. P. 167-285.

13. Dorsey K. J., and Porter J. W. The inhibition of mevalonic kinase by geranyl and farnesyl pyrophosphates// JBC. 1968. Vol. 243, P. 4667-4670.

14. Doun S. S., Burgner J. W., Briggs S. D., Rodwell V. W. Enterococcus faecalis phosphomevalonate kinase // Protein Sci. 2005. Vol. 14. P. 1134-1139.

15. Eisenreich W., Arigoni D., Bacher A., Rohdich F. Biosynthesis of isoprenoids via the nonmevalonate pathway// Cell. Mol. Life Sci. 2004. Vol. 6. P. 1401-1426.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

16. Fu Z., Voynova N. E., Herdendorf T. J., Miziorko H. M., Kim J.-J. Biochemical and structural basis for feedback inhibition of mevalonate kinase and isoprenoid metabolism // Biochemistry. 2008. Vol. 47. P. 3715-3724.

17. Fu Z., WangM., Potter D., Miziorko H. M., Kim J.-J. The structure of a binary complex between a mammalian mevalonate kinase and ATP: insights into the reaction mechanism and human inherited desease // JBC. 2002. Vol. 277. P. 18134-18142.

18. Goldstein J. L., Brown M. S. Regulation of the mevalonate pathway// Nature. 1990. Vol.43 (6257). P. 425-30.

19. Grochowski L. L., Xu H., White R. H. Methanocaldococcus jannaschii uses a modified mevalonate pathway for biosynthesis of isopentenyl diphosphate // J. Bacteriol. 2006. Vol. 188. P. 3192-3198.

20. Hamano Y., Dairi T., YamamotoM., Kuzuyama T., Itoh N., SetoH. Growth-phase dependent expression of the mevalonate pathway in a terpenoid antibiotic-producing Streptomyces strain // Biosci. Biotechnol. Biochem.

2002. Vol. 66. P. 808-819.

21. Hedl M., Sutherlin A., Wilding E. I., Mazzulla M.. McDevitt D., Lane P., Burgner J. W. 2nd, LehnbeuterK. R., Stauffacher C. V., Gwynn M. N. and V. W. Rodwell. Enterococcus faecalis acetoacetyl-coenzyme A thiolase/3-hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A reductase, a dual-function protein of isopentenyl diphosphate biosynthesis // J. Bacteriol. 2002. Vol. 184. P. 2116-2122.

22. Herdendorf T. J., Miziorko H. M. Phosphomevalonate kinase: functional investigation of the recombinant human enzyme // Biochemistry. 2006. Vol. 45. P. 3235-3242.

23. Hinson D. D., Chambliss K. L., Toth J., Tanaka R. D., Gibson K. M. Post-translational regulation of mevalonate kinase by intermediates of the cholesterol and non isoprene biosynthetic pathways // J. Lipid Res. 1997. Vol. 38(11). P. 2216-2223.

24. Hunter W. N. Picking pockets to fuel antimicrobial drug discovery // Biochem. Soc. Transac. 2007. Vol. 35. P. 980-984.

25. Hunter W. N. The Non-mevalonate Pathway of Isoprenoid Precursor Biosynthesis // JBC. 2007. Vol. 282. N 30. P. 21573-21577.

26. Istvan E. S. Structural mechanism for statin inhibition 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase // Am. Heart J. 2002. Vol. 144. P. S27-S32.

27. Istvan E. S. Statin inhibition of HMG-CoA reductase: a 3-dimensional view // Atherscler Suppl.

2003. Vol. 4. P. 3-8.

28. Krepkiy D. V., Miziorko H. M. Investigation of the functional contributions of invariant serine residues in yeast mevalonate diphosphate decarboxylase // Biochemistry. 2005. Vol. 44. P. 2671-2677.

29. Kuhn M., Campillos M., Gonzales P., Jensen L. J., Bork P. Large-scale prediction of drug-target relationships // FEBS Let. 2008. Vol. 582. P. 1283-1290.

30. Kuzuyama T., TakagiM., TakahashiS., Seto, H. Cloning and characterization of1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase from Streptomyces sp. Strain CL190, which uses both the mevalonate and nonmevalonate pathways for isopentenyl diphosphate biosynthesis // J. Bacteriol. 2000. Vol. 182. P. 891-897.

31. Lange B. M. and Croteua R. Isopentenyl diphosphate biosynthesis via a mevalonate-independent pathway: isopentenyl monophosphate kinase catalyzes the terminal enzymatic step // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1999. Vol. 9б. P. 13714-13719.

32. Lichtenthaler H. K. Non-mevalonate isoprenoid biosynthesis: enzymes, genes and inhibitors// Biochem. Soc. Trans. 2000.Vol. 28. P. 785-789.

33. Mao J., Eoh H., He R., Wang Y., Wan B., Franzblau S. G., CrickD. C., Kozikowski A. P. Structure-activity relationships of compounds targeting mycobacterium tuberculosis 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase // Bioorg. Med. Chem. Lett. 2008. Vol. 18. P. 5320-5323.

34. Qui Y., Gao J., Guo F., Qiao Y. Li D. Mutation and inhibition study of mevalonate-5-diphosphate decarboxylase // Bioorg. Med. Chem. Lett. 2007. Vol. 17. P. б1б4-б1б8.

35. Qui Y., Li D. Difunctunal inhibitors of mevalonate kinase and mevalonate-5-diphosphate decarboxylase // Organic Lett. 200б. Vol. 8. P. 1013-101б.

36. Qui Y., Li D. inhibition of mevalonate-5-diphosphate decarboxylase by fluorinated substrate analogs // BBA.2006. Vol. 17б0. P. 1080-1087.

37. Rohdich F., Bacher A., Eisenreich W. Isoprenoid biosynthetic pathway as anti-infective drug targets // Biochem. Soc. Trans. 2005. Vol. 33. P. 785-791.

38. Rohmer M., Knani M., Simonin P., Sutter B., Sahm H. Isoprenoid biosynthesis in bacteria: a novel pathway for the early steps leading to isopentenyl diphosphate // Biochem. J. 1993. Vol. 295. P. 517-524.

39. Romanowski M. J., Bonanno J. B., Burley S. K. Crystal structure of the Streptococcus pneumoniae phosphomevalonate kinase, a member of the GHMP kinase superfamily // Proteins 2002. Vol. 47. P. 5б8-571.

40. Schwender J., Gemunden C., Lichtenthaler H. K Chlorophyta exclusively use the 1-deoxyxylulose 5-phosphate-2-C-methylerythritol 4-phosphate pathway for the biosynthesis of isoprenoids // Planta. 2001. Vol. 212. P. 41б-423

41. Sgraja T., Smith T. K., Hunter W. N. Structure, substrate recognition and reactivity of Leishmania major mevalonate kinase // BMC Struct. Biol. 2007. Vol. 7. P. 20.

42. Sgraja T., Alphey M. S., Ghilagaber S., Marquez R., Robertson M. N., Hemmings J. N., Lauw S., Rohdich F., Bacher A., Eisenreich W., Illarionova V., Hunter W. N. Characterization of Aquifex aeolicus

4-diphosphocytidyl-2C-methyl-d-erythritol kinase-ligand recognition in a template for antimicrobial drug discovery // FEBS J. 2008. Vol. 275. P. 2779-2794.

43. Spurgeon S. L., Porter J. W. Biosynthesis of Isoprenoid Compounds / Ed. by J. W. Porter and

S. L. Spurgeon. Vol. 1. P. 1-4б. New York, 1981.

44. Sutherlin A., Hedl M., Sanchez-Neri B., Burgner J. W. 2nd, Stauffacher C. V, Rodwell V W. Enterococcus faecalis 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A synthase, an enzyme of isopentenyl diphosphate biosynthesis // J. Bacteriol. 2002. Vol. 184. P. 40б5-4070.

45. Voynova N. E., Fu Z,.Battaile K., Herdendorf T. J., Kim J.-J, Miziorko H. M. Human mevalonate diphosphate decarboxylase: characterization, investigation of the mevalonate diphosphate binding site, and crystall structure // Arch. Biochem. Biophys. 2008. Vol. 480. P. 58-б7.

46. Voynova N. E., Rios S. E., Miziorko H. M. Staphylococcus aureus mevalonate Kinase: Isolation and characterization of an enzyme of the isoprenoid biosynthetic pathway // J. Bacteriol. 2004. Vol. 18б. P. б1-б7.

47. Wilding E. I., Brown J. R., Bryant A. P., Chalker A. F., Holmes D. J., Ingraham K. A., Iordanescu S., So C. Y., Rosenberg M., Gwynn M. N. Identification, evolution, and essentiality of the mevalonate pathway for isopentenyl diphosphate biosynthesis in gram-positive cocci // J. Bacteriol. 2000. Vol. 182. P. 4319-4327.

48. Yang D. L., Shipman L. W., Roessner A. I., Scott A. I., Sacchettini J. C. Structure of the Metanococcus jannaschii mevalonate kinase, a member of the GHMP kinase superfamily // JBC. 2002. Vol. 277. P. 94б2-94б7.

49. Zsoldos Z., Szabo I., Szabo Z., Johnson A. P. Software tools for structure based rational drug design // J. Molec. Struct. (Theochem). 2003. P. ббб-бб7; P. б59-бб5.

50. Xiang S, Usunow G., Lange G., Busch M., Tong T. Crystal structure of 1-Deoxy-D-xylulose

5-phosphate synthase, a crucial enzyme for isoprenoids biosynthesis // JBC. 2007. Vol. 282. P. 2б7б-2б82.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.